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聚合物/纳米SiO_2复合乳液构筑的光子晶体及结构研究

沈哲红  
【摘要】:光子晶体作为一种具有控制光子传播特性的新型材料,已成为国内外材料学领域的研究热点,被广泛应用于光电集成、光纤通信、检测、传感器、太阳能等领域。目前制备光子晶体的方法主要为机械精密法、半导体光刻法以及胶体粒子组装法。与机械精密法以及半导体制造法相比,胶体粒子组装法具有成本低、方法简单以及功能可调等优点,在光子晶体制备和研究中得到广泛应用。目前用于光子晶体制造的胶体粒子主要为聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯和二氧化硅等硬粒子,因而制备的光子晶体性脆,易开裂,力学强度差,而且制备时间长,工艺繁琐。为提高光子晶体力学强度,本论文以聚合物软粒子和二氧化硅硬粒子为主要研究对象,发挥有机-无机组分协同作用,制备出具有带隙特征的、且有较高力学性能的光子晶体材料。为了克服传统胶体粒子自组装过程中产生的缺陷而使合成光子晶体膜结构色膜不如天然光子晶体鲜艳的缺点,本文在聚合物软粒子和二氧化硅硬粒子的二元粒子自组装过程中,掺入具有全波段光子吸收性能的炭黑纳米颗粒参与自组装,获得具有高饱和度的光子晶体结构色膜大面积制备技术。具体研究内容如下: (1)为制备出具有力学强度的光子晶体球,通过高压静电喷射法,将聚合物/纳米二氧化硅复合乳液分散到油性溶剂中,在表面活性剂作用下,形成稳定的乳液液滴,随着液滴中水分的蒸发,液滴中的聚合物乳胶粒子和纳米二氧化硅粒子在毛细管力、静电斥力以及界面张力驱动下,自组装形成光子晶体球。采用扫描电子显微镜(SEM)、光学显微镜和微区光谱测量系统等仪器进行表征和分析,结果表明,制备的光子晶体球具有良好的力学性能,能经受挤压和弯曲,产生的变形具有可恢复性,易于加工和大面积应用。通过调节电场作用大小、溶剂特性、基材种类以及聚合物粒子表面电荷大小,可以获得粒径形貌可控的光子晶体球。溶剂密度越大,基材与乳液液滴接触角越大,聚合物粒子表面电荷越强,光子晶体球的球形度越好。该技术为构筑具有力学性能、且形貌可控的大面积光子晶体球提供了新的思路。 (2)为提高聚合物/二氧化硅纳米复合乳液制备的光子晶体结构色膜的色相饱和度,降低膜泛白性,将具有全波段光子吸收性能的炭黑粒子引入乳液体系,采用聚合物/二氧化硅/炭黑纳米复合乳液构筑高饱和度光子晶体结构色膜,并考察了炭黑对胶体晶体膜的结构、色相、光学特性等性能的影响。结果表明,掺杂炭黑后的光子晶体结构色膜色相饱和度显著提高,随着炭黑用量增加,膜的亮度下降;膜的色相饱和度与炭黑用量有关,随着纳米二氧化硅用量增加,反射谱谱峰位置出现红移;通过调控纳米二氧化硅和炭黑含量,可获得光泽度和色度可调的光子晶体结构色膜大面积制备技术。通过炭黑掺杂获得亮度可调、色度可控的光子晶结构色彩膜制备技术,是国内外首次研究。 (3)为减少光子晶体结构色膜的制备缺陷,提高色相饱和度,本论文设计了温度和湿度可控、可观测复合乳液自组装过程动力学的自组装设备。采用SEM、EDX、LAB、光谱测试系统等方法对胶体晶体膜的形貌、光学性质、膜色度等进行了表征,结果表明,成膜温度对复合乳液干燥速度影响大,温度越高,干燥速度越快;随着温度升高,光子晶体结构色膜的反射谱谱峰位置蓝移;成膜温度过低,结构色膜易出现开裂,而且单晶区域尺寸小;成膜温度过高,聚合物软粒子间的融并会影响结构色膜的有序结构。湿度升高,复合乳液成膜速度降低,反射谱谱峰位置蓝移。随着相对湿度增加,谱峰高度增加,但是当湿度为80%时,谱峰高度下降,色相饱和度下降。对三元粒子自组装构筑光子晶体结构色膜过程和机理的研究,丰富了光子晶体制备技术的基础研究,对于光子晶体批量化生产工艺调整和控制具有理论指导意义。


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